Фазалар ережесі (Гиббс ережесі)

ДӘРІС 5. Қорытпалар жөнінде жалпы мәліметтер. Гиббс фазалар ережесі. Металдар таза түрде конструкциялық материалдар ретінде өте сирек қолданылады. Механикалық қасиеттерін жоғарлату үшін немесе қажет қасиеттер беру үшін оларды басқа металдармен немесе металл емес заттармен бірге балқытып, қорытпалар алады. Олардың негізгі элементі металл болу керек. Металл қорытпалары таза металға қарағанда арзандау, механикалық қасиеттері жоғары және көбінесе бойында өте бағалы химиялық және физикалық қасиеттері болады. Олар көбінесе жақсы технологиялық, мысалы кесу аспаптарымен жақсы өңделуі, пісірілгіштігі, соғу мен өңделуі және құйылу қасиеттерімен сипаталады. Қорытпа дайындаудың басқа да тәсілдері: біріктіру пісіру, электролиздеу, возгонкалау және тағы басқалар болуы мүмкін. Қорытпалар теориясының негізгі ұғымдарына жүйе, компонент және фаза жатады. Жүйе деп белгілі жағдайда (температура, қысым) бақылау және зерттеу үшін таңдап алынған металдар мен металл қорытпаларын айтады. Жүйе жай және күрделі болады, таза металл - жай күйе, ал химиялық қосылысты қорытпалар - күрделі жүйе. Компонентдеп жүйе құрамының тәуелсіз бөлшегін айтады. Қорытпаларда компонент ретінде химялық қосылыстар болуы мүмкін. Мысалы, Pb-Cb жүйесіндегі компоненттер - қорғасын мен сүрме, Al-Mg-Si  жүйесіндегі компоненттер - алюминий мен MgSi қосылысы. Фаза деп жүйенің басқа бөліктерінен белгілі шекарамен шектелген біртекті бөлігін айтады. Фаза өз шекарасынан өткенде, оның қасиеті күрт өзгереді. Фазалар қатты, сұйық және газ түрінде болады. Мысалы, таза металл кристалданғанда, жүйе екі: сұйық (балқыған металл) және қатты (қатайған металдың түйірі) фаза болады. Қорытпалар құрамының негізгі құраушылары. Сұйық түрінде қорытпа компоненттері көбінесе бір-бірінде шексіз ериді.Бір металл атомдары екінші металл атомдарының арасында бірқалыпты орналасқан, біртекті сұйық ерітінді пайда болады. Жартылай немесе толық ерімеушілік атом диаметрлері мен балқу температураларының үлкен айырмашылығынан болады, ол кейбір металдар арасында, мысалы мыс-қорғасын, темір- қорғасын қорытпаларында байқалады. Бірге кристалданған компоненттер қорытпалардың келесі түрлерін түзуі мүмкін: химиялық қосылыс, қатты ерітінді, механикалық қоспа. Егер кристалдану кезінде екі компонентте өз кристалдық торларын сақтай алмай, басқа крисиалдық тор құрса, онда химиялық қосылыс түзеді. Химиялық қосылыстар бір-біріне ұқсамайтын және құрылымы мен асиеті жағынан біраз айырмашылығы бар элементтерден түзіледі. Химиялық қосылыстар құрайтын элементтердің атомдары белгілі бір қатынастарда болады. Ол қатынасты AnBm формуласымен көрсетуге болады. Бұл қосылыс оны түзейтін элементтердің кристалдық торынан өзгеше кристалдық тор құрады, сондықтан қасиеті бастапқы элементтерге қарағанда өзгеше, қаттылығы мен морттылығы және электр кедергісі жоғары, балқу температурасы тұрақты. Химиялық қосылысты көбінде металдармен металлоидтар түзейді. Мысалы, карбидтер. Металл мен көміртегінің химиялық қосылыстары (тмір, хром карбидтері), нитридтер азотпен металдың химиялық қосылыстары (темір,алюминий нитридтері т.б.) Егер кристалдану кезінде бір компонент өз кристалдық торын сақтап, ал екінші компонент өз кристалдық торын сақтай алмай, оның атомдары бөлек атомдар түрінде бірінші компоненттің кристалдық торында орналасса немесе бірінші компоненттің атомдарын алмастырса, қатты ерітінді түзіледі. Бірінші компонент еріткіш, ал екінші компонент еруші деп аталады. Ерігіш атомдардың еріткіш кристалл торында орналасу түріне байланысты ену қатты ерітіндісі, алмастыру қатты ерітіндісі немесе шегеруші қатты ерітіндісі түзіледі. Ену қатты ерітінділерінде ерігіш компонент атомдары еріткіш компоненттердің кристалдық торының атомдарының аралық қуыстарында орналасады.(3.1a-сурет). Ал металдардың кристалдық торларында атомдар бір- біріне жақын орналасқандықтан, олардың арасына өлшемдері өте кіші атомдар ғана ене алады. Өлшемдері кіші атомдар сутегі, азот, көміртегі, бор және тағыда басқа кейбір элементтерде болады. Олар металдармен қатты ену ерітіндісін түзеді. Бірақ бұл элементтердің атомдарының өлшемдері қаншама кішкене болғанымен, бәрібір металдардың атомаралық қуыстарынан үлкенірек болады. Сондықтан ену қатты ерітіндісінің концентрациясы өте төмен (1...2% шамасында) болады . Алмастыру қатты ерітінділерде ерігіш компоненттің атомдары негізгі металл атомдарының орындарында орналасады. Бөтен атомдар еріткіш компоненттердің атомдарын тордың кез келген жерінде алмастыруы мүмкін, сондықтан бұл ерітінділерді бейтәртіпті қатты ерітінділер деп атайды. Егер қорытпа компоненттердің атомдары өлшемдерінің айырмашылығы 8%– дан аспаса, олар бір– бірінде ерігіштігі шексіз болатын алмастыру қатты ерітінділерін түзеді. Мысалы, Cu–Ni,Co–Ni т.б. Ал егер атом өлшемдерінің айырмашылығы 8...15% болса, онда бір–бірінде ерігіштігі шекті болатын алмастыру қатты ерітінділері түзіледі. Егер атом өлшемдерінің айыврмашылығы 15% дан асса, онда алмастыру қатты ерітіндісі түзілмейді. Шегеруші қатты ерітінділер кейбір химиялық қосылыстар негізінде түзіледі. Мысалы, химиялық қосылысқа оның формуласының ішінде бар элемент қосылғанда. Бұл жағдайда қосылған элементтің атомдары қосынды торында қалыпты орнына орналасады, ал екінші компоненттің атомдары орналасатын орындары бос қалады. Шегеруші қатты ерітінділер NiAl химиялық қосылысқа алюминийді, титан карбидіне титанды қосып балқытқанда түзіледі. Егер кристалдану кезінде біртекті атомдар арасындағы әсерлесу күші әртекті атомдар арасындағы әсерлесу күшімен көбірек болса, онда қорытпа кристалданғаннан кейін, таза металдардың түйіршіктерінен тұратын механикалық қоспа түзіледі. Әсерлесудің бұл түрі қорытпа түзетін металдардың қасиеттері арасындағы үлкен айырмашылық болғанда орын алады. Бұл жағдайда екі компонентте өз кристалдық торын сақтап қалады. Механикалық қоспа екі металдан немесе металдан немесе қатты ерітінді мен химиялық қосылыстан түзілуі мүмкін. Күй диаграммалары туралы ұғым.Қорытпаның қасиеттері оның құрылымына тәуелді. Температура өзгергенде қорытпаның құрылымы өзгереді. Қорытпаның құрылымы, құрамы және температурасы арасындағы тәуелділікті «күй диаграммасы» деп аталатын кестемен көрсетуге болады. Кез келген қорытпаны зерттеу оның күй диаграммасын тұрғызып, талдаудан басталады. Күй диаграмалары қорытпалардың суыну қисықтарының дағдарыс нүктелері бойынша, тәжірибе арқылы салынады. Қорытпаның күй диаграммасы бойынша оның кристалдану температурасын, қатты түрленуін және әр температурадағы құрылымын анықтауға болады. Ал оларды анықтаудың нәтижесінде қорытпаның механикалық, физикалық және химиялық қасиеттеріне баға беріп, термиялық өңдеудің, пісірудің, қысым арқылы өңдеудің режимдерін тағайындауға болады.

Фазалар ережесі (Гиббс ережесі)

Кристалдану мен балқу үдерісін түсіну үшін, металл қорытпаларының суыну мен қыздыру қисық сызықтарының және күй диаграммасының дұрыстығын тексеру үшін, фазалар ережесін қолданылады.

Фазалар ережесі жүйенің фаза, компонент және еркіндік дәрежесі арасындағы сандық байланысын орнатады.

Жүйенің еркіндік дәрежесінің саны (варианттылығы) деп жүйенің фаза санын өзгертпей, күйін өзгертпей, күйін өзгерте алатын сыртқы және ішкі себептердің санын айтады ( температура, қысым, концетрация). Еркіндік дәрежесі (С) мына формуламен анықталады:

                 С= К+P–A,

мұндағы К– компоненттер саны;

           P–тепе –теңдік сыртқы өзгермелі факторлар саны;

Сыртқы факторларға температура мен қысым жатады. Металл қорытпаларында барлық түрленіп, айналулар тұрақты атмосфералық қысымда өтеді де, сыртқы факторға температура ғана жатады. Сондықтан фазалар ережесі бұл жағдайда былай жазылады:

                                 C=K+1–Ф

Еркіндік дәрежесі нөлден аз болмайтындықтан,

                                   К–Ф+1³0

Одан Ф=K+1 шығады.

Яғни, тепе–теңдік күйдегі қорытпадағы фазалар саны компоненттер саны плюс бірден аспайды. Онда екі компоненттен тұратын жүйеде тепе–теңдік күйде үш фаза ғана болуы мүмкін, ал үш компоненттік жүйеде төрт фаза болады.

Егер тепе – теңдік фаза саны көп болса, онда С=0. Мұндай тепе– теңдік нонвариантты (вариантсыз) деп аталады.

Нонварианттық тепе–теңдік қорытпа белгілі бір шартта: тұрақты температурада және барлық фазалардың белгілі бір құрамында ғана бола алады,яғни түрлену қандай да бір тұрақты температурада басталып, аяқталады.

Мысалы, таза металл – қатаю температурасында екі фазадан (сұйық және қатқан металл) тұратын бір компонентті жүйе. Бұл жағдайда жүйе ионвариантты:

                           С=1+1–2=0

    Яғни қатаю үдерісі тұрақты температурада өтеді.

Егер фазалар саны ең үлкен шамадан бір санға кемісе, еркіндік саны бір санына өседі (С=1). Мұндай жүйе моновариантты (бір вариантты) деп аталады. Мысалы, екі компонентті қорытпа екі фазадан тұратын болса, (С=1), яғни сыртқы факторын – фазалар санын өзгертпей , тепе – теңдіктің сырқы факторы– температураны белгілі бір шекте өзгертуге болады. Мұндай қорытпа температура аралығында қатады.

Негізгі әдебиет 1 [10-15].

Бақылау сұрақтары:

      1.Жүйе дегеніміз не?

  2. Компонент дегеніміз не?

3. Фаза дегеніміз не?

  4. Фазалар ережесі.

5. Жүйенің еркіндік дәрежесі дегеніміз не?

 


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 536; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ